A pesquisa foi desenvolvida com a finalidade de se analisar o comportamento elástico e inelástico de estruturas de cabos, sob carregamento estático, pela técnica dos elementos finitos. Para a discretização das estruturas de cabos adotou-se um elemento retilíneo isoparamétrico, e na formulação dos princípios variacionais foram considerados a não linearidade física do material e a não linearidade geométrica, inerente às estruturas de cabos. Empregou-se o método incrementai-iterativo de Newton-Raphson para a resolução do sistema de equações não lineares. Alternativamente a solução foi obtida da minimização direta da função energia potencial total da estrutura de cabos, utilizando-se o método do Gradiente Conjugado. Vários exemplos de estruturas de cabos comumente empregadas em coberturas de grandes vãos foram estudados. Os resultados obtidos segundo os dois procedimentos foram analisados e a eficiência elos métodos foi comprovada. / The research was developed with the purpose of analyzing the elaslic and the inelaslic behaviour of cable slructures, under static load. The finite element method with straight isoparametric element was used. In the formulation of the variational principles, the material and the geometric non-linearity were considered. The Newton-Raphson method was used to resolve the non-linear equations system. Alternatively the solution was obtained of the direct minimization of the total potential energy of the cable structure; in this case using the Conjugated Gradient Method. Several examples of cable structures, commonly employed in roofs of large spaces were studied. The results were obtained according to both processes and the efficiency of the methods was verified.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Estruturas). Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

A pesquisa foi desenvolvida com a finalidade de se analisar o comportamento elástico e inelástico de estruturas de cabos, sob carregamento estático, pela técnica dos elementos finitos. Para a discretização das estruturas de cabos adotou-se um elemento retilíneo isoparamétrico, e na formulação dos princípios variacionais foram considerados a não linearidade física do material e a não linearidade geométrica, inerente às estruturas de cabos. Empregou-se o método incrementai-iterativo de Newton-Raphson para a resolução do sistema de equações não lineares. Alternativamente a solução foi obtida da minimização direta da função energia potencial total da estrutura de cabos, utilizando-se o método do Gradiente Conjugado. Vários exemplos de estruturas de cabos comumente empregadas em coberturas de grandes vãos foram estudados. Os resultados obtidos segundo os dois procedimentos foram analisados e a eficiência elos métodos foi comprovada. / The research was developed with the purpose of analyzing the elaslic and the inelaslic behaviour of cable slructures, under static load. The finite element method with straight isoparametric element was used. In the formulation of the variational principles, the material and the geometric non-linearity were considered. The Newton-Raphson method was used to resolve the non-linear equations system. Alternatively the solution was obtained of the direct minimization of the total potential energy of the cable structure; in this case using the Conjugated Gradient Method. Several examples of cable structures, commonly employed in roofs of large spaces were studied. The results were obtained according to both processes and the efficiency of the methods was verified.

Esta dissertação trata das metodologias de busca da forma (form finding) aplicadas a sistemas estruturais de cabos de aço retesados, destacando aquelas que foram amplamente utilizadas pelo arquiteto alemão Frei Otto: modelos físicos de correntes e molas e o método numérico das Densidades de Forças. O método de Relaxação Dinâmica, as soluções gráficas, modelos de correntes e pesos, assim como os de películas de sabão, também foram analisados de modo breve. O trabalho objetivou examinar as singularidades de tais metodologias de concepção estrutural. Tarefa que foi realizada, em primeiro lugar, por meio da revisão da literatura crítica acerca do emprego e do desenvolvimento das tecnologias de sistemas de cabos de aço retesados. Em seguida, partindo das obras examinadas, simulou-se quatro situações de projetos de estruturas retesadas, que foram executadas através da construção de modelos físicos e numéricos. As maquetes físicas foram construídas por meio de modelos de correntes e molas, e tiveram o intuito de fornecer dados de ordem qualitativa acerca do comportamento estrutural. As representações digitais, por sua vez, foram desenvolvidas com o método das Densidades de Forças, por intermédio do software Rhinoceros e do seu plug-in Grasshopper. Elas permitiram avaliar critérios quantitativos, como precisão, conformidade e eficiência. Por fim, os resultados obtidos através dos modelos físicos foram comparados aos experimentos digitais, com o intuito de analisar as especificidades de cada alternativa, buscando compreender as vantagens e limites de suas aplicações práticas. / This work presents two form finding methodologies applied to steel cable structures, physical model with springs and Force Density Method, both widely used by Frei Otto and his team. Other techniques are also studied; e.g. chains models, soap film models, graphic solutions and Dynamic Relaxation Method. Firstly, the historical developments of form-active structures were listed, together with a series of projects that became technical and conceptual milestones in the Brazilian and international scenario. Secondly, the process of manufacturing two form finding models is reported, one physical spring model and one numerical Force Density Method performed with computer-aided design (CAD) application Rhinoceros and its plug-in Grasshopper. Both models were carried out aiming to investigate their advantages and limits. Lastly, four experimental case studies were selected, based on projects studied in the first phase of this work. Diverse typologies and boundary conditions were chosen for comparative evaluation of the qualitative physical model and the numerical one. The appraisal of the modeling techniques\' efficiency and robustness levels was done through analysis of the differences between nodes\' coordinates and bars\' lengths obtained through each method.

Nesta tese discute-se a necessidade de se desenvolver novas ferramentas para auxiliar o projeto e análise de estruturas de cabos e membranas. Esse tipo de estrutura, essencialmente não linear, é geralmente analisada por meio do Método dos Elementos Finitos, combinado com o Método de Newton-Raphson, para a resolução do sistema de equações não lineares resultante. Porém, a ausência de um campo de tensão de tração sobre toda estrutura composta por elementos finitos de cabos e membranas pode gerar uma matriz de rigidez tangente indeterminada, levando à divergência da solução pelo Método de Newton-Raphson. O Método da Relaxação Dinâmica é uma alternativa interessante para resolver problemas não lineares complicados de equilíbrio estático, na qual o problema do equilíbrio estático é resolvido por uma análise dinâmica, com integração no tempo. A resposta transiente é fictícia e não tem significado físico, entretanto a parte estacionária é a solução do problema de equilíbrio estático. Nesta tese, apresenta-se uma contextualização histórica sobre o Método da Relaxação Dinâmica, apontando as contribuições mais relevantes já desenvolvidas por outros autores. Propõe-se um procedimento de sintonia da massa dos elementos, capaz de uniformizar as condições impostas ao incremento de tempo, para se obter estabilidade do processo de integração numérica. Implementam-se as formulações dos elementos finitos adotados, bem como um algoritmo de enrugamento para os elementos de membrana e diversas rotinas de pós-processamento, no programa de elementos finitos SATS (A System for the Analysis of Taut Structures), desenvolvido pelo autor desta tese, em colaboração com seu orientador. A implementação desenvolvida é aplicada a uma série de exemplos relativos ao projeto e análise de estruturas de cabos e membranas, permitindo verificar a eficiência dos procedimentos de amortecimento e cinético e de sintonia de massa propostos. / This thesis discusses the need to develop new tools to assist the design and analysis of cables and membrane structures. This type of structures, essentially non-linear is generally analyzed using the Finite Element Method, where in most cases the solution is obtained by the Newton-Raphson Method. However, the absence of a tension stress field over the entire structure composed only with cable and membrane finite element can generate a non-positive definite tangent stiffness matrix, leading to the divergence of Newton-Raphson iterations. The Method of Dynamic Relaxation is an interesting alternative to solve complicated nonlinear problems of static equilibrium, replaced by an equivalent dynamic analysis. The transient solution is fictitious and without physical meaning, and the stationary phase provides the static equilibrium solution. This thesis presents a historical contextualization of the Dynamic Relaxation Method, highlighting the most relevant contributions already developed by other authors. A procedure for the tuning of the element masses is proposed, which is capable of making uniform the restrictions imposed to the time steps in order to preserve the stability of the numerical integration. Some adopted finite element formulations are implemented, as well as an algorithm for representing the wrinkling of membrane elements and several post-processing routines, in the SATS (A System for the Analysis of Taut Structures) finite element program, developed by the author of this thesis, in collaboration with his advisor. The developed implementation is applied to a series of examples on the design and analysis of cables and membrane structures, allowing verification of the efficiency of the procedures proposed for kinetic damping and mass tuning.

Nesta tese discute-se a necessidade de se desenvolver novas ferramentas para auxiliar o projeto e análise de estruturas de cabos e membranas. Esse tipo de estrutura, essencialmente não linear, é geralmente analisada por meio do Método dos Elementos Finitos, combinado com o Método de Newton-Raphson, para a resolução do sistema de equações não lineares resultante. Porém, a ausência de um campo de tensão de tração sobre toda estrutura composta por elementos finitos de cabos e membranas pode gerar uma matriz de rigidez tangente indeterminada, levando à divergência da solução pelo Método de Newton-Raphson. O Método da Relaxação Dinâmica é uma alternativa interessante para resolver problemas não lineares complicados de equilíbrio estático, na qual o problema do equilíbrio estático é resolvido por uma análise dinâmica, com integração no tempo. A resposta transiente é fictícia e não tem significado físico, entretanto a parte estacionária é a solução do problema de equilíbrio estático. Nesta tese, apresenta-se uma contextualização histórica sobre o Método da Relaxação Dinâmica, apontando as contribuições mais relevantes já desenvolvidas por outros autores. Propõe-se um procedimento de sintonia da massa dos elementos, capaz de uniformizar as condições impostas ao incremento de tempo, para se obter estabilidade do processo de integração numérica. Implementam-se as formulações dos elementos finitos adotados, bem como um algoritmo de enrugamento para os elementos de membrana e diversas rotinas de pós-processamento, no programa de elementos finitos SATS (A System for the Analysis of Taut Structures), desenvolvido pelo autor desta tese, em colaboração com seu orientador. A implementação desenvolvida é aplicada a uma série de exemplos relativos ao projeto e análise de estruturas de cabos e membranas, permitindo verificar a eficiência dos procedimentos de amortecimento e cinético e de sintonia de massa propostos. / This thesis discusses the need to develop new tools to assist the design and analysis of cables and membrane structures. This type of structures, essentially non-linear is generally analyzed using the Finite Element Method, where in most cases the solution is obtained by the Newton-Raphson Method. However, the absence of a tension stress field over the entire structure composed only with cable and membrane finite element can generate a non-positive definite tangent stiffness matrix, leading to the divergence of Newton-Raphson iterations. The Method of Dynamic Relaxation is an interesting alternative to solve complicated nonlinear problems of static equilibrium, replaced by an equivalent dynamic analysis. The transient solution is fictitious and without physical meaning, and the stationary phase provides the static equilibrium solution. This thesis presents a historical contextualization of the Dynamic Relaxation Method, highlighting the most relevant contributions already developed by other authors. A procedure for the tuning of the element masses is proposed, which is capable of making uniform the restrictions imposed to the time steps in order to preserve the stability of the numerical integration. Some adopted finite element formulations are implemented, as well as an algorithm for representing the wrinkling of membrane elements and several post-processing routines, in the SATS (A System for the Analysis of Taut Structures) finite element program, developed by the author of this thesis, in collaboration with his advisor. The developed implementation is applied to a series of examples on the design and analysis of cables and membrane structures, allowing verification of the efficiency of the procedures proposed for kinetic damping and mass tuning.